EP2859639B1 - Ladungsausgleichsschaltung für einen energiespeicher und verfahren zum ausgleichen von ladungsunterschieden in einem energiespeicher - Google Patents

Ladungsausgleichsschaltung für einen energiespeicher und verfahren zum ausgleichen von ladungsunterschieden in einem energiespeicher Download PDF

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EP2859639B1
EP2859639B1 EP13724845.6A EP13724845A EP2859639B1 EP 2859639 B1 EP2859639 B1 EP 2859639B1 EP 13724845 A EP13724845 A EP 13724845A EP 2859639 B1 EP2859639 B1 EP 2859639B1
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EP
European Patent Office
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voltage
energy storage
modules
multiplicity
equalization
Prior art date
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Bernd Dittmer
Arpad Imre
Alexander Schmidt
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a charge balancing circuit for an energy store and a method for balancing charge differences in an energy store, in particular in a modular energy store with a plurality of energy storage cells connected in series.
  • a DC voltage intermediate circuit is usually supplied by a string of battery modules connected in series.
  • multiple battery modules are often connected in series in a traction battery.
  • the total capacity and the available power of such traction batteries depends on the characteristics of the individual battery modules. It is therefore desirable to keep all battery modules in the same state of charge and voltage level in order to distribute the load on the traction battery evenly by charging and discharging on the individual battery modules.
  • US 2011/234164 A1 and DE 10 2009 054 818 A1 each discloses circuit arrangements of serially connected battery modules, which can be compensated by suitable driving method in their charge state.
  • the present invention in one aspect, provides a charge balance circuit for an energy storage having a plurality of series connected energy storage cells and modules, an inverter whose input terminals are coupled to terminals of the energy storage, and which is configured to convert the total voltage of the energy storage to a compensation voltage
  • a transformer having a primary-side winding, which is coupled to the inverter, and with a plurality of secondary-side windings, a plurality of rectifiers, which are each coupled to one of the plurality of secondary-side windings, and which are adapted to the compensation voltage of the Inverter rectify and feed the rectified compensation voltage in each case one of the plurality of energy storage cells and modules, and a control device which is coupled to the inverter, and which au is set to adjust the level of the compensation voltage as a function of the total voltage of the energy storage and the number of energy storage cells and modules of the energy storage.
  • the present invention provides a system having an energy storage device having terminals for providing a total voltage and a plurality of energy storage cells and modules connected in series between the terminals, and a charge balancing circuit according to the invention, wherein the plurality of rectifiers of the charge balancing circuit are each connected to one the plurality of energy storage cells and modules are coupled.
  • the present invention provides a method for balancing charge differentials in an energy store, which terminals for providing a total voltage and a multiplicity of energy storage cells and modules connected in series between the terminals, with the steps of converting the total voltage of the energy store into a compensation voltage whose level depends on the total voltage of the energy store and the number of energy storage cells and modules the energy store is adjustable, the transfer of the compensation voltage with a transformer to a plurality of secondary windings of the transformer, rectifying the transmitted compensation voltages, and feeding the rectified compensation voltages in each one of the plurality of energy storage cells and modules.
  • a push-pull converter circuit is used, which converts an instantaneous total voltage of the energy store into a compensation voltage which corresponds to a setpoint voltage of a single energy storage module, and feeds this equalizing voltage into each of the energy storage cells and modules.
  • the balancing of the charge states can take place independently of the instantaneous load state of the energy store or of the individual energy storage cells and modules. Furthermore, compliance with safety limits with regard to the charging and discharging voltage limits of the individual energy storage cells and modules is already ensured by the operating principle of the automatic charge equalization.
  • the charge balance is advantageously substantially energy-neutral, that is, the energy that is taken from energy storage cells and modules higher charge state for equalization purposes, is almost completely fed back into energy storage cells and modules lower charge state.
  • an advantage of the procedure according to the invention is that neither voltages must be applied to individual energy storage cells and modules nor additional components such as balancing resistors or circuit breakers for coupling the energy storage cells and modules to the charge balancing circuit must be provided. On the one hand, this lowers the manufacturing costs, the space requirement and the system weight of the charge equalization circuit. On the other hand, the probability of failure of the energy storage is reduced, since no possibly risk of failure additional components such as switches or relays are used.
  • a charge balancing circuit for an energy storage device on other functions, such as under- and overvoltage monitoring within the framework of ASIL specifications ("automotive safety integrity level", safety-relevant regulations in the automotive sector according to ISO standard 26262), can be dispensed with a negative or overvoltage in the individual energy storage cells and modules with the automatic charge compensation according to the invention can no longer occur.
  • ASIL specifications automotive safety integrity level
  • the transformer may further comprise a secondary-side auxiliary winding, which is coupled to the control device.
  • the control device may further be designed to detect the compensation voltage via the secondary-side auxiliary winding, and to regulate the inverter in dependence on the detected compensation voltage. This offers the advantage that a dynamic control of the compensation voltage is possible, which can fall back directly on the output voltage of the inverter.
  • the charge balancing circuit may further comprise a plurality of filter stages, each coupled between the plurality of rectifiers and the plurality of energy storage cells and modules, and configured to smooth the rectified compensation voltage.
  • the plurality of filter stages can each have a low-pass filter with a coil as a longitudinal dipole and a capacitor as a transverse dipole.
  • the filter stages can act as a down-converter, providing a steady DC voltage without fluctuations for balancing the charge states of the individual energy storage cells and modules can provide. This allows a low-loss compensation of the charge states.
  • a smoothing of the rectified compensation voltages continues in each case by means of a filter stage.
  • the filter stages can provide a steady DC voltage without fluctuations for balancing the charge states of the individual energy storage cells and modules. This allows a low-loss compensation of the charge states.
  • the conversion of the total voltage of the energy store into a compensation voltage may comprise detecting the compensation voltage via a secondary-side auxiliary winding of the transformer and regulating the conversion as a function of the detected compensation voltage.
  • the energy storage cells and modules may comprise lithium ion accumulators.
  • This type of energy storage cells is often used in electric drive systems.
  • the charge equalization circuit according to the invention the life of lithium-ion batteries can be considerably extended.
  • Fig. 1 shows a system 10 with an energy storage 6 and a charge balancing circuit 1.
  • the system 10 may be part of an electric drive system of an electrically operated vehicle, for example.
  • the energy store 6 can represent, for example, a traction battery of the electrically operated vehicle.
  • the energy store 6 may include, for example, a plurality k of serially interconnected energy storage cells and modules 7.
  • the energy storage cells and modules 7 can each have one or more rechargeable electrical or electrochemical energy storage cells, for example lithium-ion accumulators or cells.
  • the number k of the energy storage cells and modules 7 is in Fig. 1 illustrated by way of example with three, but any other number of energy storage cells and modules 7 may also be possible.
  • the energy store 6 can have output terminals 6a, at which a total voltage U G of the energy store 6 can be provided as the sum of the module voltages U Mk of the individual energy storage cells and modules 7.
  • Each of the energy storage cells and modules 7 ideally should have a setpoint voltage UM which does not differ from the setpoint voltages of the other energy storage cells and modules 7. Due to production, temperature or aging-related effects, the charge states and thus the setpoint voltages of the energy storage cells and modules 7 in the course of operation of the energy storage device 6 may differ from each other.
  • the system 10 has a charge equalization circuit 1, which has input terminals 1 a, which are connected to the input terminals of an inverter 2.
  • the inverter 2 may, for example, be a self-commutated full-bridge inverter, which has power semiconductor switches as active switching elements, for example MOSFET switches or IGBT switches with free-wheeling diodes connected in parallel thereto.
  • the inverter can also be designed in two stages, that is, the first stage sets the total voltage U G to a lower intermediate voltage position, for example by means of a throttle setting converter.
  • the second stage includes, for example, the full bridge inverter as described above to reduce the gear ratio in the transformer 3.
  • the input terminals 1 a are coupled to the terminals 6 a, 6 b of the energy store 6.
  • the inverter 2 serves to convert the total voltage U G of the energy storage device 6 into a compensation voltage U A.
  • the compensation voltage U A. is input to a transformer 3 having a primary side winding 3a coupled to the inverter 2.
  • the transformer 3 has on the secondary side a plurality of secondary-side windings 3b, to which the compensation voltage U A can be transmitted in each case.
  • the transformer 3 may be, for example, a high-frequency transformer without an air gap.
  • the charge equalization circuit 1 further includes a plurality of rectifiers 4 coupled to a respective one of the plurality of secondary side windings 3b.
  • the rectifiers 4 may be, for example, bridge rectifiers, as in FIG Fig. 1 shown. Alternatively, it may also be possible to design the rectifier 4 as a synchronous rectifier.
  • the rectifiers 4 are designed to rectify the transmitted compensation voltage U A of the inverter 2 and to feed the rectified compensation voltage U A into a respective one of the plurality of energy storage cells and modules 7.
  • the output terminals 1 b of the rectifier 4 are respectively coupled to corresponding module terminals 7 a of the energy storage cells and modules 7.
  • the inverter 2 can be controlled such that the compensation voltage U A is set in dependence on the number k of the energy storage cells and modules 7 and the total output voltage U G.
  • the charge equalization circuit 1 comprises a control device 8, which is coupled to the inverter 2.
  • the control device 8 can be designed, for example, to adjust the level of the compensation voltage U A as a function of the total voltage U G of the energy store 6 and the number k of the energy storage cells and modules 7 of the energy store 6.
  • the control device 8 may be, for example, a microcontroller or a microprocessor.
  • the charge balance is independent of the current load state of the energy storage cells and modules 7.
  • the charge equalization circuit 1 With the charge equalization circuit 1, the occurrence of deviations of the module voltages U Mk of the target voltage U Mk can be effectively and automatically prevented during operation of the energy storage 6. This significantly increases the life of the energy store 6.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of another system 10 with an energy storage 6 and a charge equalization circuit 1.
  • the system 10 in Fig. 2 a transformer 3 having a secondary-side auxiliary winding 3 c, which is coupled to the control device 8.
  • the control device 8 can be designed to detect the compensation voltage U A via the secondary-side auxiliary winding 3 c, and to regulate the inverter 2 as a function of the detected compensation voltage U A.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of another system 10 with an energy storage 6 and a charge equalization circuit 1.
  • the system 10 in Fig. 3 a plurality of filter stages 5, which are respectively coupled between rectifier 4 and the energy storage cells and modules 7.
  • the filter stages 5 are designed to smooth the rectified compensation voltage U A.
  • the filter stages 5 For example, each may be formed as a low-pass filter, which are configured with a coil 5a as Leksszweipol and a capacitor 5b as Querzweipol.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of another system 10 with an energy storage 6 and a charge equalization circuit 1.
  • the secondary-side auxiliary winding 3c of Fig. 2 as well as the filter stages 5 of Fig. 3 intended.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a method 20 for balancing charge differences in an energy storage, for example in the energy storage 6 of Fig. 1 to 4 ,
  • the method may, for example, in the Fig. 1 to 4 use charge balancing circuit 1 exemplified.
  • the total voltage U G of the energy store 6 is converted into a compensation voltage U A whose level can be set as a function of the total voltage U G of the energy store 6 and the number of energy storage cells and modules 7 of the energy store 6.
  • the compensating voltage U A can be detected via a secondary-side auxiliary winding 3c of the transformer 3, so that the level of the compensating voltage U A can be regulated as a function of the actual value detected via the secondary-side auxiliary winding 3c.
  • the compensation voltage U A is transmitted with a transformer 3 to a multiplicity of secondary-side windings 3 b of the transformer 3.
  • the transferred compensation voltage U A can be rectified in a step 23.
  • the rectified compensation voltages can then be fed into a respective one of the plurality of energy storage cells and modules 7.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ladungsausgleichsschaltung für einen Energiespeicher und ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in einem Energiespeicher, insbesondere in einem modular aufgebauten Energiespeicher mit einer Vielzahl von in Reihe verschalteten Energiespeicherzellen.
    • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B. Windkraftanlagen oder Solaranlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren.
  • Für elektrische Antriebssysteme elektrisch betriebener Fahrzeuge beispielsweise wird üblicherweise ein Gleichspannungszwischenkreis von einem Strang aus seriell verschalteten Batteriemodulen gespeist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule in einer Traktionsbatterie in Serie geschaltet. Die Gesamtkapazität und die verfügbare Leistung derartiger Traktionsbatterien hängt dabei von den Eigenschaften der einzelnen Batteriemodule ab. Es ist daher wünschenswert, alle Batteriemodule auf dem gleichen Ladungszustand und dem gleichen Spannungsniveau zu halten, um die Belastung auf die Traktionsbatterie durch Lade- und Entladevorgänge gleichmäßig auf die einzelnen Batteriemodule verteilen zu können.
  • Es existieren passive Ausgleichsverfahren, bei denen Einzelspannungen der Batteriemodule mit einer Gesamtspannung verglichen werden. Auf der Basis dieses Vergleichs können bei Abweichungen einzelne Batteriemodule über ohmsche Widerstände selektiv entladen werden. Aktive Ausgleichsverfahren basieren auf einer Umverteilung von Ladung aus Batteriemodulen höheren Ladungszustands auf Batteriemodule niedrigeren Ladungszustands durch Umverteilungseinrichtungen bzw. Ladungszwischenspeicher.
  • Die Druckschriften DE 10 2010 047 685 A1 , DE 10 2010 017 439 A1 , EP 0 432 639 A2 , US 2011/234164 A1 und DE 10 2009 054 818 A1 beispielsweise offenbaren jeweils Schaltungsanordnungen aus seriell verschalteten Batteriemodulen, welche durch geeignete Ansteuerverfahren in ihrem Ladungszustand ausgeglichen werden können.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Ladungsausgleichschaltung für einen Energiespeicher mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen, mit einem Wechselrichter, dessen Eingangsanschlüsse mit Anschlüssen des Energiespeichers gekoppelt sind, und welcher dazu ausgelegt ist, die Gesamtspannung des Energiespeichers in eine Ausgleichsspannung umzurichten, einem Transformator mit einer primärseitigen Wicklung, die mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, und mit einer Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen, einer Vielzahl von Gleichrichtern, welche mit jeweils einer der Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen gekoppelt sind, und welche dazu ausgelegt sind, die Ausgleichsspannung des Wechselrichters gleichzurichten und die gleichgerichtete Ausgleichsspannung in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen einzuspeisen, und einer Steuervorrichtung, welche mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, den Pegel der Ausgleichsspannung in Abhängigkeit von der Gesamtspannung des Energiespeichers und der Anzahl der Energiespeicherzellen und -module des Energiespeichers einzustellen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein System mit einem Energiespeicher, welcher Anschlüsse zum Bereitstellen einer Gesamtspannung und eine Vielzahl von zwischen den Anschlüssen in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen aufweist, und einer erfindungsgemäßen Ladungsausgleichschaltung, wobei die Vielzahl von Gleichrichtern der Ladungsausgleichschaltungjeweils mit einem der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen gekoppelt sind.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in einem Energiespeicher, welcher Anschlüsse zum Bereitstellen einer Gesamtspannung und eine Vielzahl von zwischen den Anschlüssen in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen aufweist, mit den Schritten des Umrichtens der Gesamtspannung des Energiespeichers in eine Ausgleichsspannung, deren Pegel in Abhängigkeit von der Gesamtspannung des Energiespeichers und der Anzahl der Energiespeicherzellen und -module des Energiespeichers einstellbar ist, des Übertragens der Ausgleichsspannung mit einem Transformator auf eine Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen des Transformators, des Gleichrichtens der übertragenen Ausgleichsspannungen, und des Einspeisens der gleichgerichteten Ausgleichsspannungen in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, seriell verschaltete Energiespeicherzellen und - module eines Energiespeichers durch eine automatische und stetige Einspeisung einer Ausgleichsspannung in die einzelnen Energiespeicherzellen und -module bereits während des Betriebs in ihren Ladungszuständen auszugleichen. Hierzu wird eine Gegentaktwandlerschaltung verwendet, die eine momentane Gesamtspannung des Energiespeichers in eine Ausgleichsspannung umrichtet, die einer Sollspannung eines einzelnen Energiespeichermoduls entspricht, und diese Ausgleichsspannung in jede der Energiespeicherzellen und -module einspeist. Dadurch tritt je nach Abweichung des Ladungszustands jedes einzelnen Energiespeichermoduls von seiner Sollspannung automatisch ein Ausgleichsstrom auf, der die Abweichung wieder ausgleichen kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass das Ausgleichen der Ladungszustände unabhängig vom momentanen Belastungszustand des Energiespeichers bzw. der einzlenen Energiespeicherzellen und -module erfolgen kann. Ferner ist eine Einhaltung von Sicherheitsgrenzen bezüglich der Lade- und Entladespannungsgrenzen der einzelnen Energiespeicherzellen und -module bereits durch das Wirkprinzip des automatischen Ladungsausgleichs sichergestellt.
  • Der Ladungsausgleich erfolgt in vorteilhafter Weise weitgehend energieneutral, das heißt, die Energie, die aus Energiespeicherzellen und -modulen höheren Ladungszustands zu Ausgleichszwecken entnommen wird, wird nahezu vollständig wieder in Energiespeicherzellen und -module niedrigeren Ladungszustands eingespeist.
  • Weiterhin besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise darin, dass weder Spannungen an einzelnen Energiespeicherzellen und -modulen vorgenommen noch zusätzliche Komponenten wie Ausgleichswiderstände oder Leistungsschalter zum Ankoppeln der Energiespeicherzellen und -module an die Ladungsausgleichsschaltung vorgesehen werden müssen. Dies senkt einerseits die Fertigungskosten, den Bauraumbedarf und das Systemgewicht der Ladungsausgleichsschaltung. Andererseits wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Energiespeichers verringert, da keine möglicherweise ausfallgefährdeten Zusatzkomponenten wie Schalter oder Relais verwendet werden.
  • Ferner kann mit einem Vorsehen einer Ladungsausgleichsschaltung für einen Energiespeicher auf andere Funktionen, wie beispielsweise eine Unter- und Überspannungsüberwachung im Rahmen von ASIL-Vorgaben ("automotive safety integrity level", sicherheitsrelevante Vorschriften im Automobilbereich nach ISO-Norm 26262), verzichtet werden, da eine Unter- oder Überspannung in den einzelnen Energiespeicherzellen und -modulen mit dem erfindungsgemäßen automatischen Ladungsausgleich nicht mehr auftreten kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung kann der Transformator weiterhin eine sekundärseitige Hilfswicklung aufweisen, welche mit der Steuervorrichtung gekoppelt ist. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung kann die Steuervorrichtung weiterhin dazu ausgelegt sein, die Ausgleichsspannung über die sekundärseitige Hilfswicklung zu erfassen, und den Wechselrichter in Abhängigkeit von der erfassten Ausgleichsspannung zu regeln. Dies bietet den Vorteil, dass eine dynamische Regelung der Ausgleichsspannung möglich ist, die direkt auf die Ausgangsspannung des Wechselrichters zurückgreifen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung kann die Ladungsausgleichsschaltung weiterhin eine Vielzahl von Filterstufen aufweisen, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Gleichrichtern und die Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen gekoppelt sind, und welche dazu ausgelegt sind, die gleichgerichtete Ausgleichsspannung zu glätten. Vorteilhafterweise können die Vielzahl von Filterstufen dabei jeweils Tiefpassfilter mit einer Spule als Längszweipol und einem Kondensator als Querzweipol aufweisen. Dadurch können die Filterstufen als Abwärtswandler wirken, die eine gleichmäßige Gleichspannung ohne Schwankungen für das Ausgleichen der Ladungszustände der einzelnen Energiespeicherzellen und -module bereitstellen kann. Dies ermöglicht einen möglichst verlustarmen Ausgleich der Ladungszustände.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt weiterhin ein Glätten der gleichgerichteten Ausgleichsspannungen jeweils mithilfe einer Filterstufe. Die Filterstufen können eine gleichmäßige Gleichspannung ohne Schwankungen für das Ausgleichen der Ladungszustände der einzelnen Energiespeicherzellen und -module bereitstellen. Dies ermöglicht einen möglichst verlustarmen Ausgleich der Ladungszustände.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Umrichten der Gesamtspannung des Energiespeichers in eine Ausgleichsspannung ein Erfassen der Ausgleichsspannung über eine sekundärseitige Hilfswicklung des Transformators und ein Regeln des Umrichtens in Abhängigkeit von der erfassten Ausgleichsspannung umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass eine dynamische Regelung der Ausgleichsspannung möglich ist, die direkt auf die Ausgangsspannung des Wechselrichters zurückgreifen kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems können die Energiespeicherzellen und -module Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen. Diese Art von Energiespeicherzellen wird häufig in elektrischen Antriebssystemen eingesetzt. Mit der erfindungsgemäßen Ladungsausgleichsschaltung kann die Lebensdaer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren erheblich verlängert werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Ladungsausgleichsschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in einem Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt ein System 10 mit einem Energiespeicher 6 und einer Ladungsausgleichsschaltung 1. Das System 10 kann beispielsweise Teil eines elektrischen Antriebssystems eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs sein. Dabei kann der Energiespeicher 6 beispielsweise eine Traktionsbatterie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs darstellen. Der Energiespeicher 6 kann beispielsweise eine Vielzahl k von seriell verschalteten Energiespeicherzellen und -modulen 7 umfassen. Die Energiespeicherzellen und -module 7 können dabei jeweils ein oder mehrere wiederaufladbare elektrische bzw. elektrochemische Energiespeicherzellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder -Zellen aufweisen. Die Anzahl k der Energiespeicherzellen und -module 7 ist in Fig. 1 beispielhaft mit drei dargestellt, wobei jedoch jede andere Anzahl an Energiespeicherzellen und -modulen 7 ebenso möglich sein kann.
  • Der Energiespeicher 6 kann über Ausgangsanschlüsse 6a verfügen, an denen eine Gesamtspannung UG des Energiespeichers 6 als Summe der Modulspannungen UMk der einzelnen Energiespeicherzellen und -module 7 bereitgestellt werden kann. Dabei gilt der Zusammenhang UG = Σk UMk. Jedes der Energiespeicherzellen und -module 7 sollte dabei idealerweise eine Sollspannung UM aufweisen, die sich nicht von den Sollspannungen der anderen Energiespeicherzellen und -module 7 unterscheidet. Aufgrund von fertigungs-, temperatur- oder alterungsbedingten Effekten können die Ladungszustände und damit die Sollspannungen der Energiespeicherzellen und -module 7 im Laufe des Betriebs des Energiespeichers 6 voneinander abweichen.
  • Zum Ausgleich der Ladungszustände weist das System 10 eine Ladungsausgleichsschaltung 1 auf, die Eingangsanschlüsse 1 a aufweist, welche mit den Eingangsanschlüssen eines Wechselrichters 2 verbunden sind. Der Wechselrichter 2 kann beispielsweise ein selbstgeführter Inverter in Vollbrückenschaltung sein, der als aktive Schaltelemente Leistungshalbleiterschalter aufweist, zum Beispiel MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter mit parallel dazu geschalteter Freilaufdiode aufweisen. Der Wechselrichter kann auch zweistufig ausgeführt sein, das heißt die erste Stufe setzt die Gesamtspannung UG auf eine niedrigere Zwischenspannungslage, beispielsweise mithilfe eines Drosseltiefsetzstellers. Die zweite Stufe beinhaltet zum Beispiel den Inverter in Vollbrückenschaltung wie oben beschrieben, um das Übersetzungsverhältnis im Transformator 3 zu reduzieren. Die Eingangsanschlüsse 1 a sind mit den Anschlüssen 6a, 6b des Energiespeichers 6 gekoppelt. Der Wechselrichter 2 dient zum Umrichten der Gesamtspannung UG des Energiespeichers 6 in eine Ausgleichsspannung UA. Die Ausgleichsspannung UA. wird in einen Transformator 3 mit einer primärseitigen Wicklung 3a, die mit dem Wechselrichter 2 gekoppelt ist, eingespeist. Der Transformator 3 weist sekundärseitig eine Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen 3b auf, auf die die Ausgleichsspannung UA jeweils übertragen werden kann. Der Transformator 3 kann beispielsweise ein Hochfrequenztransformator ohne Luftspalt sein.
  • Die Ladungsausgleichschaltung 1 weist weiterhin eine Vielzahl von Gleichrichtern 4 auf, welche mit jeweils einer der Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen 3b gekoppelt sind. Die Gleichrichter 4 können beispielsweise Brückengleichrichter sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Alternativ kann es auch möglich sein, die Gleichrichter 4 als Synchrongleichrichter auszugestalten. Die Gleichrichter 4 sind dazu ausgelegt, die übertragene Ausgleichsspannung UA des Wechselrichters 2 gleichzurichten und die gleichgerichtete Ausgleichsspannung UA in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen 7 einzuspeisen. Dazu sind die Ausgangsanschlüsse 1 b der Gleichrichter 4 jeweils mit entsprechenden Modulanschlüssen 7a der Energiespeicherzellen und -module 7 gekoppelt.
  • Wenn die Modulspannung UMk eines Energiespeichermoduls 7 kleiner als die Ausgleichsspannung UA ist, so fließt ein Ladestrom von der entsprechenden sekundärseitigen Wicklung 3b des Transformators 3 in das Energiespeichermodul 7 und erhöht damit seinen Ladungszustand. Umgekehrt fließt kein ladestrom von der entsprechenden sekundärseitigen Wicklung 3b des Transformators 3, wenn die Modulspannung UMk eines Energiespeichermoduls 7 größer als die Ausgleichsspannung UA ist. Um zu gewährleisten, dass alle Energiespeicherzellen und -module 7 eine Modulspannung UMk aufweisen, die der Sollspannung UM entspricht, kann der Wechselrichter 2 derart angesteuert werden, dass die Ausgleichsspannung UA in Abhängigkeit von der Anzahl k der Energiespeicherzellen und -module 7 und der Gesamtausgangsspannung UG eingestellt wird.
  • Dazu umfasst die Ladungsausgleichsschaltung 1 eine Steuervorrichtung 8, welche mit dem Wechselrichter 2 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung 8 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, den Pegel der Ausgleichsspannung UA in Abhängigkeit von der Gesamtspannung UG des Energiespeichers 6 und der Anzahl k der Energiespeicherzellen und -module 7 des Energiespeichers 6 einzustellen. Hierzu kann die Steuervorrichtung 8 die Ausgleichsspannung UA beispielsweise auf einen Pegel von UA = UG/k regeln. Die Steuervorrichtung 8 kann beispielsweise ein Mikrocontroller oder ein Mikroprozessor sein.
  • Mit der beschriebenen Vorgehensweise ist die Einstellung der Ausgleichsspannung UA und damit der Ladungsausgleich einerseits nahezu verlustfrei, wenn man von den geringfügigen Verlusten im Wechselrichter 2 absieht. Andererseits erfolgt der Ladungsausgleich unabhängig vom aktuellen Belastungszustand der Energiespeicherzellen und -module 7. Mit der Ladungsausgleichsschaltung 1 kann das Auftreten von Abweichungen der Modulspannungen UMk von der Sollspannung UMk effektiv und automatisch während des Betriebs des Energiespeichers 6 verhindert werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Energiespeichers 6 erheblich.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Systems 10 mit einem Energiespeicher 6 und einer Ladungsausgleichsschaltung 1. Zusätzlich zu den bereits im Hinblick auf Fig. 1 erläuterten Komponenten weist das System 10 in Fig. 2 einen Transformator 3 mit einer sekundärseitigen Hilfswicklung 3c aufweist, welche mit der Steuervorrichtung 8 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung 8 kann dazu ausgelegt sein, die Ausgleichsspannung UA über die sekundärseitige Hilfswicklung 3c zu erfassen, und den Wechselrichter 2 in Abhängigkeit von der erfassten Ausgleichsspannung UA zu regeln.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Systems 10 mit einem Energiespeicher 6 und einer Ladungsausgleichsschaltung 1. Zusätzlich zu den bereits im Hinblick auf Fig. 1 erläuterten Komponenten weist das System 10 in Fig. 3 eine Vielzahl von Filterstufen 5 auf, welche jeweils zwischen Gleichrichter 4 und die Energiespeicherzellen und -module 7 gekoppelt sind. Die Filterstufen 5 sind dazu ausgelegt, die gleichgerichtete Ausgleichsspannung UA zu glätten. Die Filterstufen 5 können beispielsweise jeweils als Tiefpassfilter ausgebildet sein, die mit einer Spule 5a als Längszweipol und einem Kondensator 5b als Querzweipol ausgestaltet sind.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Systems 10 mit einem Energiespeicher 6 und einer Ladungsausgleichsschaltung 1. In dem System 10 ist sowohl die sekundärseitige Hilfswicklung 3c der Fig. 2 als auch die Filterstufen 5 der Fig. 3 vorgesehen.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in einem Energiespeicher, beispielsweise in dem Energiespeicher 6 der Fig. 1 bis 4. Das Verfahren kann dazu beispielsweise die in den Fig. 1 bis 4 beispielhaft dargestellte Ladungsausgleichsschaltung 1 verwenden.
  • In einem ersten Schritt 21 erfolgt ein Umrichten der Gesamtspannung UG des Energiespeichers 6 in eine Ausgleichsspannung UA, deren Pegel in Abhängigkeit von der Gesamtspannung UG des Energiespeichers 6 und der Anzahl der Energiespeicherzellen und -module 7 des Energiespeichers 6 einstellbar ist. Beispielsweise kann die die Ausgleichsspannung UA beispielsweise auf einen Pegel von UA = UG/k eingestellt werden. Dazu kann beispielsweise die Ausgleichsspannung UA über eine sekundärseitige Hilfswicklung 3c des Transformators 3 erfasst werden, so dass der Pegel der Ausgleichsspannung UA in Abhängigkeit von dem über die sekundärseitige Hilfswicklung 3c erfassten Istwerts geregelt werden kann.
  • In einem zweiten Schritt 22 erfolgt ein Übertragen der Ausgleichsspannung UA mit einem Transformator 3 auf eine Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen 3b des Transformators 3. Die übertragene Ausgleichsspannung UA kann in einem Schritt 23 gleichgerichtet werden. Gegebenenfalls kann in einem Schritt 24 ein Glätten der gleichgerichteten Ausgleichsspannung UA jeweils mithilfe einer Filterstufe 5 erfolgen. In einem Schritt 25 können die gleichgerichteten Ausgleichsspannungen dann in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen 7 eingespeist werden.

Claims (4)

  1. Ladungsausgleichschaltung (1) für einen Energiespeicher (6) mit einer Vielzahl von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen (7), mit einem Transformator (3) mit einer primärseitigen Wicklung (3a) und mit einer Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen (3b), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    - einen Wechselrichter (2), dessen Eingangsanschlüsse (1a) mit Anschlüssen (6a, 6b) des Energiespeichers (6) gekoppelt sind, und welcher dazu ausgelegt ist, die Gesamtspannung des Energiespeichers (6) in eine Ausgleichsspannung umzurichten,
    - der Transformator (3) ist mit dem Wechselrichter (2) gekoppelt,
    - eine Vielzahl von Gleichrichtern (4), welche mit jeweils einer der Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen (3b) gekoppelt sind, und welche dazu ausgelegt sind, die Ausgleichsspannung des Wechselrichters (2) gleichzurichten und die gleichgerichtete Ausgleichsspannung in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und - modulen (7) einzuspeisen,
    - eine Steuervorrichtung (8), welche mit dem Wechselrichter (2) gekoppelt ist, wobei der Transformator (3) weiterhin eine sekundärseitige Hilfswicklung (3c) aufweist, welche mit der Steuervorrichtung (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Steuervorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, den Pegel der Ausgleichsspannung in Abhängigkeit von der Gesamtspannung des Energiespeichers (6) und der Anzahl der Energiespeicherzellen und -module (7) des Energiespeichers (6) einzustellen und/oder die Ausgleichsspannung über die sekundärseitige Hilfswicklung (3c) zu erfassen, und den Wechselrichter (2) in Abhängigkeit von der erfassten Ausgleichsspannung zu regeln, und
    - eine Vielzahl von Filterstufen (5) vorgesehen sind, welche jeweils zwischen die Vielzahl von Gleichrichtern (4) und die Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen (7) gekoppelt sind, wobei die Vielzahl von Filterstufen (5) jeweils Tiefpassfilter mit einer Spule (5a) als Längszweipol und einem Kondensator (5b) als Querzweipol aufweisen, und welche dazu ausgelegt sind, die gleichgerichtete Ausgleichsspannung zu glätten.
  2. System (10), mit:
    einem Energiespeicher (6), welcher Anschlüsse (6a, 6b) zum Bereitstellen einer Gesamtspannung und eine Vielzahl von zwischen den Anschlüssen (6a, 6b) in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen (7) aufweist; und
    einer Ladungsausgleichschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, wobei die Vielzahl von Gleichrichtern (4) der Ladungsausgleichschaltung (1) jeweils mit einem der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen (7) gekoppelt sind.
  3. System (10) nach Anspruch 2, wobei die Energiespeicherzellen und -module (7) wiederaufladbare elektrische bzw. elektrochemische Speicherelemente, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen oder-Akkumulatoren aufweisen.
  4. Verfahren (20) zum Betreiben einer Ladungsausgleichschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zum Ausgleichen von Ladungsunterschieden in einem Energiespeicher (6), welcher Anschlüsse (6a, 6b) zum Bereitstellen einer Gesamtspannung und eine Vielzahl von zwischen den Anschlüssen (6a, 6b) in Serie geschalteten Energiespeicherzellen und -modulen (7) aufweist, mit den Schritten:
    Umrichten (21) der Gesamtspannung des Energiespeichers (6) in eine Ausgleichsspannung, deren Pegel in Abhängigkeit von der Gesamtspannung des Energiespeichers (6) und der Anzahl der Energiespeicherzellen und -module (7) des Energiespeichers (6) einstellbar ist;
    Übertragen (22) der Ausgleichsspannung mit einem Transformator (3) auf eine Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen (3b) des Transformators (3);
    Gleichrichten (23) der übertragenen Ausgleichsspannungen; und
    Einspeisen (25) der gleichgerichteten Ausgleichsspannungen in jeweils eines der Vielzahl von Energiespeicherzellen und -modulen (7);
    Glätten (24) der gleichgerichteten Ausgleichsspannungen jeweils mithilfe einer Filterstufe (5); wobei das Umrichten (21) der Gesamtspannung des Energiespeichers (6) in eine Ausgleichsspannung ein Erfassen der Ausgleichsspannung über eine sekundärseitige Hilfswicklung (3c) des Transformators und ein Regeln des Umrichtens in Abhängigkeit von der erfassten Ausgleichsspannung umfasst.
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